CN112684572B - 一种兼具自动调平功能的自动对焦方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种兼具自动调平功能的自动对焦方法及装置，该装置包括：激光光源，用于产生对焦光束；分束装置，用于通过两块沃拉斯顿棱镜将单束对焦光束分束为四束对焦光束；合束聚焦系统，用于将对焦光束与光学系统工作光束合束，并将对焦光束聚焦为在物镜后焦面的四个呈菱形分布的对焦光斑；镜面角锥棱镜，用于将四束对焦光束分开；共焦强度探测装置，用于将对焦光斑共焦成像，并探测像点位置的光强变化；反馈运动机构，用于将探测到的光强变化转化为相应的反馈控制信号，并根据信号驱动运动机构，带动对焦对象旋转或平移，完成自动调平和自动对焦。本发明与现有对焦装置相比，增加了自动调平功能，极大的扩展了该装置的应用范围。

Description

一种兼具自动调平功能的自动对焦方法及装置

技术领域

本发明属于光学工程领域，特别涉及一种兼具自动调平功能的自动对焦方法及装置。

背景技术

自动对焦技术是一种应用于成像光学系统和光学加工系统中的重要技术。无论是成像光学系统还是光学加工系统，在对对象成像或加工前，都需要将物镜的焦点准确地定位在对象的成像面或加工面上。在光学成像系统或光学加工系统中应用自动对焦技术可以很好地满足这一要求。

目前自动对焦的技术包括共焦强度探测法、成像被动探测法、像散法、光斑位移探测法、莫尔条纹法等。其中，共焦强度探测法的硬件实现简单，但是探测信号容易受杂散光影响，反馈信号非线性，调节难度较大。成像被动探测法和像散法都是根据反馈图形形状的变化产生反馈信号，其反馈精度较低，对焦深度较小。光斑位移探测法受限于衍射极限和探测器位置分辨率等因素其定焦精度也无法进一步提高。莫尔条纹法的对焦精度较高，但受限于光栅的加工精度和光栅周期的灵活选择性等因素也很难进一步提高，对焦深度较小。此外，根据以上技术设计的各种装置往往只具备自动对焦功能，不具备自动调平功能。而在光学加工系统和部分扫描光学成像系统中，对加工对象或成像对象的水平度要求相对较高。不具备调自动平功能的对焦装置在以上系统中的应用就受到了极大的限制。

可见，需要针对目前自动对焦技术的局限性，设计一种兼具自动调平功能的自动对焦装置，扩展自动对焦技术的应用领域，实现该技术在更广泛的光机系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种应用于成像光学系统或光刻系统的兼具自动调平功能的自动对焦方法及装置。

为实现本发明的目的，本发明提供一种兼具自动调平功能的自动对焦方法，包括：

产生对焦光束，通过两块沃拉斯顿棱镜将单束对焦光束分束为四束对焦光束；

四束对焦光束聚焦于对焦对象中，在物镜后焦面形成四个呈菱形分布的对焦光斑；

四束对焦光束经对焦对象的对焦平面反射，由原光路返回，再由镜面角锥棱镜反射分开，分别入射四组差分共焦探测机构；

通过差分共焦探测机构进行光强探测，根据探测到的光强变化得出离焦量并产生反馈控制信号，根据信号驱动运动机构，带动对焦对象旋转或平移，完成自动调平和自动对焦。

进一步地，所述镜面角锥棱镜为四面角锥棱镜，每个锥面均镀有反射膜，镜面角锥棱镜反射对焦光束，使四束对焦光束的反射光束在同一平面中，且相邻光束夹角为90°。

进一步地，分别对四束对焦光束聚焦后，进行限制孔径的光强探测，并根据探测结果产生反馈控制信号。

进一步地，反馈运动的控制策略为首先进行调平，调平值以四个点的探测平均值为基准；调平后，四个点对应的强度探测偏离量相同，再进行调焦，调焦值以探测极值为基准。

本发明的另一目的为提供一种兼具自动调平功能的自动对焦装置，包括：

激光光源，用于产生对焦光束；

分束装置，用于通过两块沃拉斯顿棱镜将单束对焦光束分束为四束对焦光束；

合束聚焦系统，用于将对焦光束与所应用的光学系统的工作光束合束，并将对焦光束聚焦为在物镜后焦面的四个呈菱形分布的对焦光斑；

镜面角锥棱镜，用于将对焦对象的对焦平面反射回的四束对焦光束分开；

共焦强度探测装置，用于将对焦光斑共焦成像，并探测像点位置的光强变化；

反馈运动机构，用于将探测到的光强变化转化为相应的反馈控制信号，并根据信号驱动运动机构，带动对焦对象旋转或平移，完成自动调平和自动对焦。

进一步地，两块沃拉斯顿棱镜结构相同，光轴相互重合；第一沃拉斯顿棱镜的分界面与水平面垂直，第二沃拉斯顿棱镜相对于第一沃拉斯顿棱镜以光轴为旋转轴，旋转45°；第一沃拉斯顿棱镜将对准光束分为两束，第二沃拉斯顿棱镜再将两束对准光束分为四束；四束光束沿光轴旋转对称，每束光与光轴的夹角相同。

进一步地，所述合束聚焦系统由分束镜、凸透镜、二向色镜、场镜和物镜组成；

所述分束镜将四束对焦光束反射入凸透镜，在凸透镜的后焦面上产生四个聚焦光斑，四个光斑在同一平面上呈菱形分布；

所述二向色镜反射对焦光束、透射光学系统工作光束，将对焦光束与光学系统工作光束合束；

所述场镜与物镜由所应用的光学系统与自动对焦装置共用，场镜与凸透镜共焦放置，场镜与物镜将凸透镜后焦面的四个聚焦光斑成像于物镜的后焦面上，并在对焦对象的对焦平面上发生反射，产生对焦光斑。

进一步地，所述镜面角锥棱镜为四面角锥棱镜，每个锥面均镀有反射膜；镜面角锥棱镜反射对焦光束，使四束对焦光束的反射光束在同一平面中，且相邻光束夹角为90°。

进一步地，所述共焦强度探测装置由聚焦透镜和孔径限制的光强探测器组成；

所述聚焦透镜将镜面角锥棱镜反射的平行对焦光束汇聚，产生聚焦光斑，聚焦光斑为对焦平面上对焦光斑的实像；

所述孔径限制的光强探测器放置在聚焦光斑处，对聚焦光斑进行限制孔径的光强测量。

进一步地，所述反馈运动机构由压电平台实现；所述压电平台至少具有三个调节维度，包括x方向旋转调节和y方向旋转调节，用于自动调平；z方向移动调节，用于自动对焦。

本发明的原理如下：

当对焦准确时，即对焦对象的对焦平面与物镜的后焦面重合时，对焦平面上对焦光斑最小，使用共焦强度探测装置，通过孔径限制的光强探测可以得到一个极值。当发生离焦时，对焦平面与物镜的后焦面不重合，对焦光斑变大，使用共焦强度探测装置，在同样限制孔径的条件下进行光强探测，探测光强将偏离极值。通过探测强度的偏离量产生相应的反馈控制信号，控制运动机构实现自动调平与自动对焦。

其中，当对焦平面上呈菱形分布的四个对焦光斑所产生的强度探测偏离量不同时，首先进行调平，调平值以四个点的探测平均值为基准。调平后，四个点对应的强度探测偏离量相同，再进行调焦，调焦值以探测极值为基准。

本发明对比已有技术的优点是：

可以同时产生四束并行对焦光束，对对焦平面不同位置的离焦量同时进行探测，以获得对焦对象更全面的离焦信息，对对焦对象统筹进行自动调平与自动调焦。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种兼具自动调平功能的自动对焦装置示意图；

图2为本发明实施例中两块沃拉斯顿棱镜的空间布置示意图；

图3为本发明实施例中四个对焦光斑在物镜后焦面上的分布示意图；

图4为本发明实施例中镜面角锥棱镜反射对焦光束的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明为一种兼具自动调平功能的自动对焦装置，可以与光学显微镜系统或光刻系统等光学系统配合使用，实现对相应光学系统中对焦对象的自动调平与自动调焦。

本发明由激光光源产生对焦光束，经由两块沃拉斯顿棱镜，将对焦光束分为四束。四束对焦光束经由一系列光学元件聚焦于对焦对象中，在物镜后焦面形成四个对焦光斑。四束对焦光束经对焦平面反射，由原光路返回，再由镜面角锥棱镜反射分开，分别由四组差分共焦探测机构进行光强探测，根据测量信号得出离焦量并产生反馈信号，实现对样品的自动调平与自动调焦。

如图1所示，其中模块1代表与本发明自动对焦装置配合使用的光学系统的附属结构，其产生的工作光束用于实现该光学系统本身的光学功能。本实施例提供的一种兼具自动调平功能的自动对焦装置包括：激光光源2，第一沃拉斯顿棱镜3，第二沃拉斯顿棱镜4，第一分束镜5，第一凸透镜6，二向色镜7，场镜8，物镜9，样品架10，压电平台11，镜面角锥棱镜12，第二分束镜13，第二凸透镜14，第一小孔15，第一光电探测器16，第三凸透镜17，第二小孔18，第二光电探测器19。

采用图1所示的装置，实现样品自动调平与自动对焦的方法如下：

激光光源2发出对焦光束，经第一沃拉斯顿棱镜3与第二沃拉斯顿棱镜4后被分束为四束对焦光束。第一沃拉斯顿棱镜3与第二沃拉斯顿棱镜4的放置方式以及光束分束后的空间分布如图2所示。其中，第一沃拉斯顿棱镜3与第二沃拉斯顿棱镜4的结构相同，光轴相互重合。第一沃拉斯顿棱镜3的分界面与水平面垂直，第二沃拉斯顿棱镜4相对于第一沃拉斯顿棱镜3沿光轴方向旋转45°。第二沃拉斯顿棱镜4的四束出射光束沿光轴旋转对称，每束光与光轴的夹角相同。

四束对焦光束经第一分束镜5反射后由第一凸透镜6聚焦，在第一凸透镜6的后焦面上产生四个光斑，四个光斑在同一平面上呈菱形分布。四束对焦光束由二向色镜7反射与光学系统的工作光束合束。其中，对焦光束波长与光学系统工作光束波长不同，二向色镜7反射对焦光束、透射光学系统工作光束。

场镜8与物镜9由光学系统和本发明装置共用，其中场镜8与第一凸透镜6共焦放置，场镜8与物镜9将第一凸透镜6后焦面的四个聚焦光斑成像于物镜9的后焦面上，其分布如图3所示。

对焦对象放置于样品架10中，样品架10与压电平台11相连。其中，压电平台11至少具有三个调节维度，包括x方向旋转调节和y方向旋转调节，用于自动调平；z方向水平调节，用于自动对焦。

物镜聚焦光束经样品对焦平面反射后，沿原光路返回第一分束镜5，透射后照射于镜面角锥棱镜12。其中，镜面角锥棱镜12为四面角锥棱镜，每个锥面均镀有反射膜。如图4所示，四束对焦光束经镜面角锥棱镜12反射后，在同一平面中沿相邻光束互为90°的四个方向出射。每束对焦光束均入射于一组由第二分束镜13、第二凸透镜14、第一小孔15、第一光电探测器16、第三凸透镜17、第二小孔18和第二光电探测器19组成的差分共焦探测机构中。其中，图1只绘制出了经镜面角锥棱镜12反射后，其中一束光的探测方案。对其他三束光的探测方案与所绘制出的光束相同。

镜面角锥棱镜12的反射光束经第二分束镜13等能量分束后，反射光束通过第二凸透镜14聚焦，经第一小孔15，入射到第一光电探测器16中；透射光束通过第三凸透镜17聚焦，经第二小孔18，入射到第二光电探测器19中。其中，第二凸透镜14与第三凸透镜17焦距相同，第一小孔15与第二小孔18孔径相同。第一小孔15置于第二凸透镜14的后焦面后方，第二小孔18置于第三凸透镜17的后焦面前方。第一光电探测器16紧贴第一小孔15放置，第二光电探测器19紧贴第二小孔18放置。

在物镜后焦面与对焦平面重合时，第一小孔15到第二凸透镜14后焦面的距离与第二小孔18到第三凸透镜17后焦面的距离相等。即第一小孔15与第二小孔18对光束的通光孔径限制是相同的。第一光电探测器16与第二光电探测器19的接收光强相同，两光强相减，差值为0。当发生负离焦时，即物镜聚焦光斑在对焦平面之前时，第二凸透镜14的聚焦像点和第三凸透镜17的聚焦像点沿光轴负方向移动，第一光电探测器16的通光量下降，第二光电探测器19的通光量不变，两光强相减，差值为负值。当发生正离焦时，即物镜聚焦光斑在对焦平面之后时，第二凸透镜14的聚焦像点和第三凸透镜17的聚焦像点沿光轴正方向移动，第一光电探测器16的通光量不变，第二光电探测器19的通光量下降，两光强相减，差值为正值。在焦面可调节范围内光强差值量与对应对焦点的离焦量成正比，根据四组光强探测差值量，产生相应的反馈信号，控制压电平台11旋转或平移运动，实现自动调平与自动调焦。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种兼具自动调平功能的自动对焦方法，其特征在于，包括：

产生对焦光束，通过两块沃拉斯顿棱镜将单束对焦光束分束为四束对焦光束；

四束对焦光束聚焦于对焦对象中，在物镜后焦面形成四个呈菱形分布的对焦光斑；

四束对焦光束经对焦对象的对焦平面反射，由原光路返回，再由镜面角锥棱镜反射分开，分别入射四组差分共焦探测机构；

通过差分共焦探测机构进行光强探测，根据探测到的光强变化得出离焦量并产生反馈控制信号，根据信号驱动运动机构，带动对焦对象旋转或平移，完成自动调平和自动对焦；

反馈运动的控制策略为首先进行调平，调平值以四个点的探测平均值为基准；调平后，四个点对应的强度探测偏离量相同，再进行调焦，调焦值以探测极值为基准。

2.如权利要求1所述的兼具自动调平功能的自动对焦方法，其特征在于，所述镜面角锥棱镜为四面角锥棱镜，每个锥面均镀有反射膜，镜面角锥棱镜反射对焦光束，使四束对焦光束的反射光束在同一平面中，且相邻光束夹角为90°。

3.如权利要求1所述的兼具自动调平功能的自动对焦方法，其特征在于，分别对四束对焦光束聚焦后，进行限制孔径的光强探测，并根据探测结果产生反馈控制信号。

4.一种兼具自动调平功能的自动对焦装置，其特征在于，包括：

激光光源，用于产生对焦光束；

分束装置，用于通过两块沃拉斯顿棱镜将单束对焦光束分束为四束对焦光束；

合束聚焦系统，用于将对焦光束与所应用的光学系统的工作光束合束，并将对焦光束聚焦为在物镜后焦面的四个呈菱形分布的对焦光斑；

镜面角锥棱镜，用于将对焦对象的对焦平面反射回的四束对焦光束分开；

共焦强度探测装置，用于将对焦光斑共焦成像，并探测像点位置的光强变化；

反馈运动机构，用于将探测到的光强变化转化为相应的反馈控制信号，并根据信号驱动运动机构，带动对焦对象旋转或平移，完成自动调平和自动对焦；

两块沃拉斯顿棱镜结构相同，光轴相互重合；第一沃拉斯顿棱镜的分界面与水平面垂直，第二沃拉斯顿棱镜相对于第一沃拉斯顿棱镜以光轴为旋转轴，旋转45°；第一沃拉斯顿棱镜将对准光束分为两束，第二沃拉斯顿棱镜再将两束对准光束分为四束；四束光束沿光轴旋转对称，每束光与光轴的夹角相同；

所述反馈运动机构由压电平台实现；所述压电平台至少具有三个调节维度，包括x方向旋转调节和y方向旋转调节，用于自动调平；z方向移动调节，用于自动对焦。

5.如权利要求4所述的实现兼具自动调平功能的自动对焦装置，其特征在于，所述合束聚焦系统由分束镜、凸透镜、二向色镜、场镜和物镜组成；

所述分束镜将四束对焦光束反射入凸透镜，在凸透镜的后焦面上产生四个聚焦光斑，四个光斑在同一平面上呈菱形分布；

所述二向色镜反射对焦光束、透射光学系统工作光束，将对焦光束与光学系统工作光束合束；

所述场镜与物镜由所应用的光学系统与自动对焦装置共用，场镜与凸透镜共焦放置，场镜与物镜将凸透镜后焦面的四个聚焦光斑成像于物镜的后焦面上，并在对焦对象的对焦平面上发生反射，产生对焦光斑。

6.如权利要求4所述的实现兼具自动调平功能的自动对焦装置，其特征在于，所述镜面角锥棱镜为四面角锥棱镜，每个锥面均镀有反射膜；镜面角锥棱镜反射对焦光束，使四束对焦光束的反射光束在同一平面中，且相邻光束夹角为90°。

7.如权利要求4所述的实现兼具自动调平功能的自动对焦装置，其特征在于，所述共焦强度探测装置由聚焦透镜和孔径限制的光强探测器组成；

所述聚焦透镜将镜面角锥棱镜反射的平行对焦光束汇聚，产生聚焦光斑，聚焦光斑为对焦平面上对焦光斑的实像；

所述孔径限制的光强探测器放置在聚焦光斑处，对聚焦光斑进行限制孔径的光强测量。

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